鉺鐿共摻保偏光纖的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與加工工藝研究

耿鵬程，李昌峰，韓志輝

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所 天津300220)

鉺鐿共摻保偏光纖的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與加工工藝研究

耿鵬程，李昌峰，韓志輝

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所 天津300220)

采用全矢量有限元分析方法研究了應(yīng)力區(qū)大小、應(yīng)力區(qū)與纖芯之間距離、纖芯區(qū)域熱膨脹系數(shù)等參數(shù)對鉺鐿共摻保偏光纖雙折射與應(yīng)力分布的影響，通過改進(jìn)超聲波打孔、硼棒磨拋與抽真空封裝等預(yù)制棒加工技術(shù)，較大程度上提高了鉺鐿共摻保偏光纖預(yù)制棒的加工工藝水平，最終將光纖的偏振串音控制在-23,dB/10,m 以下，雙折射提高至3.9×10-4以上，為制備性能更加優(yōu)化的高雙折射、低偏振串音鉺鐿共摻保偏光纖奠定了理論與工藝基礎(chǔ)。

偏振串音 雙折射 應(yīng)力區(qū) 鉺鐿共摻

0 引 言

相比于摻鉺光纖，鉺鐿共摻光纖具有非常寬的吸收帶(800～1,070,nm)，可極大地?cái)U(kuò)展泵浦光源的范圍，進(jìn)而有效提高激光器的光光轉(zhuǎn)換效率。[1]然而，隨著光纖激光雷達(dá)探測技術(shù)的飛速發(fā)展，[2-3]人們對鉺鐿共摻光纖激光器的性能提出了更高要求，即要求激光器為線偏振輸出。如要使激光器輸出的光束具有線偏振特性，最有效的方法即是把光纖做成保偏結(jié)構(gòu)。由于有源保偏光纖加工工藝的限制，國內(nèi)尚無單位研制出可滿足實(shí)用要求的鉺鐿共摻保偏光纖。因此，對鉺鐿共摻保偏光纖預(yù)制棒的加工工藝開展深入研究是十分必要的，這對低偏振串音鉺鐿共摻保偏光纖的研制具有重要的借鑒意義。

本文在分析應(yīng)力區(qū)半徑及位置等因素對光纖雙折射與應(yīng)力分布影響的基礎(chǔ)上，采用改進(jìn)的超聲波打孔工藝結(jié)合真空鑲嵌工藝制備出了鉺鐿共摻石英有源保偏預(yù)制棒，最后對拉制出的鉺鐿共摻保偏光纖的偏振串音、雙折射與吸收光譜進(jìn)行了測試，為制備高性能鉺鐿共摻保偏光纖奠定了理論與工藝基礎(chǔ)。

1 光纖結(jié)構(gòu)對雙折射與應(yīng)力的影響

基于本單位現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)與國外有源保偏光纖在售產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，在光纖應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，選取了熊貓型結(jié)構(gòu)。[4]與常規(guī)熊貓保偏光纖不同，鉺鐿共摻保偏光纖纖芯中包含一定量的稀土氧化物和三氧化二鋁，三氧化二鋁的引入使纖芯區(qū)域的線膨脹系數(shù)得到了極大提高。與常規(guī)保偏光纖相比，鉺鐿共摻保偏光纖的纖芯更容易變形，進(jìn)而導(dǎo)致光纖傳輸損耗增加、激光器光束質(zhì)量變差。因此，需要對光纖的結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

本文采用有限元分析方法計(jì)算了光纖結(jié)構(gòu)對鉺鐿共摻保偏光纖雙折射的影響，計(jì)算中采取的參數(shù)如下：光纖纖芯直徑為 12,μm，包層直徑為 130,μm，應(yīng)力區(qū)的直徑為 32,μm，纖芯中心與應(yīng)力區(qū)中心的距離為 33,μm。纖芯、應(yīng)力區(qū)、包層的線膨脹系數(shù)分別為1.1×10-6,K-1、2.55×10-6,K-1、0.55×10-6,K-1。光纖材料的密度為 2,203,kg/m3，彈性模量為 76×109,Pa，泊松比為 0.186。此外，考慮到應(yīng)力區(qū)摻硼材料的軟化溫度，設(shè)定光纖應(yīng)力區(qū)開始施加應(yīng)力的起始溫度為1,600,℃，而光纖最終冷卻至室溫(設(shè)定為 20,℃)。計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

圖1 鉺鐿共摻保偏光纖橫截面上的應(yīng)力雙折射分布Fig.1 The stress birefringence distribution on the cross section of an erbium-ytterbium co-doped polarization maintaining fiber

由圖1可知，鉺鐿共摻保偏光纖的雙折射主要分布在應(yīng)力區(qū)邊緣附近區(qū)域與纖芯內(nèi)部，其他區(qū)域雙折射的值接近于零。對于摻稀土光纖，纖芯的摻雜濃度越大，纖芯的線膨脹系數(shù)就越大。當(dāng)纖芯線膨脹系數(shù)分別為1.1×10-6,K-1與1.5×10-6,K-1時(shí)，x軸與y軸上的應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2 纖芯摻雜濃度對光纖應(yīng)力分布的影響Fig.2 Effect of core doping concentration on the stress distribution of fiber

由圖2可知，當(dāng)纖芯線膨脹系數(shù)由1.1×10-6,K-1增加至1.5×10-6,K-1時(shí)，纖芯及附近區(qū)域x軸上的應(yīng)力值增加較明顯，而y軸上只有纖芯區(qū)域內(nèi)應(yīng)力增加較多。由于纖芯及附近區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力越大纖芯越容易變形，所以對于高摻雜鉺鐿共摻保偏光纖需要適當(dāng)優(yōu)化光纖結(jié)構(gòu)。經(jīng)計(jì)算，應(yīng)力區(qū)半徑 r越大，纖芯區(qū)域的雙折射與纖芯邊緣處的應(yīng)力值越大；r保持不變時(shí)，應(yīng)力區(qū)中心與纖芯中心的距離 d越大，纖芯區(qū)域的雙折射與纖芯邊緣處的應(yīng)力值越小。

由上述分析可知，為降低在拉絲工藝過程中纖芯的變形量，在保證光纖具有一定雙折射值的情況下，應(yīng)盡量使應(yīng)力區(qū)遠(yuǎn)離纖芯并控制應(yīng)力區(qū)面積。此外，鉺鐿共摻保偏光纖的結(jié)構(gòu)還需要結(jié)合加工工藝來合理設(shè)計(jì)。

2 鉺鐿共摻保偏光纖的加工工藝

打孔工藝制作鉺鐿共摻保偏光纖的工藝流程如下：①將鉺鐿共摻預(yù)制棒退火；②在預(yù)制棒兩側(cè)設(shè)定位置對稱打兩個(gè)孔；③將加工好的應(yīng)力棒裝入孔中；④將應(yīng)力棒與帶孔母棒進(jìn)行抽真空封裝。

與常規(guī)熊貓型保偏光纖預(yù)制棒相比，鉺鐿共摻保偏光纖預(yù)制棒的加工難度更大，主要體現(xiàn)在：①打孔過程中光纖預(yù)制棒更易碎裂。鉺鐿共摻保偏光纖纖芯的線膨脹系數(shù)較大，導(dǎo)致預(yù)制棒的殘存應(yīng)力較大，進(jìn)而造成光纖預(yù)制棒在打孔過程中更易碎裂。②鉺鐿共摻保偏光纖對打孔精度要求更高。常規(guī)保偏光纖的纖芯均由氣相沉積法生成，纖芯直徑能夠做到很大，幾乎沒有限制；而鉺鐿共摻保偏光纖的纖芯一般由沉積疏松層加液相摻雜法生成，纖芯直徑一般在1.5,mm以下，由于芯包比的限制，預(yù)制棒的直徑一般相對較小，所以鉺鐿共摻保偏光纖對加工精度要求更高。③抽真空封裝難度更大。帶孔鉺鐿共摻預(yù)制棒與硼棒的直徑較小，對操作精度要求更高，鉺鐿共摻保偏光纖對封裝過程中的加熱均勻性要求也更高。

針對上述問題，我們采取的解決措施主要包括：①針對鉺鐿共摻預(yù)制棒殘存應(yīng)力較大的問題，在打孔工藝前，對預(yù)制棒進(jìn)行褪火處理；②針對打孔過程中，預(yù)制棒容易碎裂的問題，在設(shè)計(jì)光纖結(jié)構(gòu)時(shí)，適當(dāng)增加孔與纖芯之間的距離；③為提高打孔精度，引入了顯微鏡精密測量裝置，并結(jié)合自行設(shè)計(jì)制作的控制支架建立了打孔精確定位系統(tǒng)；④為提高硼棒與帶孔母棒的匹配度，改進(jìn)了硼棒磨拋工藝，有效降低了硼棒直徑的波動(dòng)量；⑤為提高封裝工藝中的加熱均勻性，專門設(shè)計(jì)制作了環(huán)形加熱器。

3 結(jié) 語

本文采用全矢量有限元分析方法分析了應(yīng)力區(qū)半徑、應(yīng)力區(qū)位置與纖芯區(qū)域熱膨脹系數(shù)等參數(shù)對鉺鐿共摻保偏光纖雙折射與應(yīng)力分布的影響，為鉺鐿共摻保偏光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，繼而通過優(yōu)化預(yù)制棒打孔與抽真空封裝等加工工藝，最終制備出了結(jié)構(gòu)較為均勻且滿足設(shè)計(jì)要求的鉺鐿共摻保偏光纖，其雙折射率為 3.96×10-4，偏振串音為-23.1,dB/10,m。本文的研究工作對于高精度有源保偏光纖的研制具有一定的借鑒意義。

［1］ 趙境輝. 高功率雙包層鉺鐿共摻光纖激光器的研究[D]. 西安：西安電子科技大學(xué)，2012.

［2］ 趙小華，渠亮. 雷達(dá)反隱身技術(shù)的淺析[J]. 現(xiàn)代雷達(dá)，2007，29(3)：17-19.

［3］ 張飛飛，夏海云，孫東松. 1.55,μm相干激光雷達(dá)系統(tǒng)的硬目標(biāo)速度探測[J]. 激光技術(shù)，2012，36(5)：602-606.

［4］ 沈建平. 保偏光纖預(yù)制棒的加工研究[D]. 長春：長春理工大學(xué)，2012.

Structure Optimization and Processing of Erbium-ytterbium Co-doped Polarization Maintaining Fibers

GENG Pengcheng，LI Changfeng，HAN Zhihui
(The 46th Research Institute of China Electronic Technology Group Company，Tianjin 300220，China)

The effects of stress region size，distance between stress zone and core，thermal expansion coefficient in the core zone on the birefringence and stress distribution of erbium-ytterbium co-doped polarization maintaining fiberswere studied by using the full vector finite element method．By improving ultrasonic drilling，Boron rod polishing and vacuum packaging processing technology，the processing level of the erbium-ytterbium co-doped polarization maintaining fiber preform was greatly enhanced．Finally，the polarization crosstalk of fiber was controlled under－23,dB/10,m and the birefringence was raised to more than 3.9×10-4，which provides both theory and technology foundation for the preparation of high birefringence，low polarization crosstalk of erbium-ytterbium co-doped polarization maintaining fibers.

polarization crosstalk；birefringence；stress region size；erbium-ytterbium co-doped

TN253

A

1006-8945(2016)01-0040-02

2015-12-06